為了突破天然光源的限制，人們制造出了各種各樣的人造光源，如煤油燈、自熾燈日光燈、高壓鈉燈……20 世紀(jì)初，科學(xué)家研究出激光等很多新的光源，人類開始步人現(xiàn)代新光源的廣闊天地。激光有什么特點?又有哪些應(yīng)用?本節(jié)我們將學(xué)習(xí)激光與全息照相的內(nèi)容。
1960年5月15日，美國物理學(xué)家梅曼正在進(jìn)行一項重要的實驗。他的實驗裝置里有一根人造紅寶石棒。突然，一束深紅色的亮光從裝置中射出，它比太陽表面還要亮!
這是一種完全新型的光，是科學(xué)家渴望多年而自然界中并不存在的光!它被命名為激光(laser)，產(chǎn)生激光的裝置被稱為激光器
激光和激光器是 20 世紀(jì)最重大的科學(xué)發(fā)明之一激光是原子受激輻射產(chǎn)生的光，激光光束中所有光子的頻率一致、相位一致、偏振方向一致、傳播方向一致，所以激光具有單色性好、方向性強(qiáng)、亮度高等特點。
激光產(chǎn)生的原理按照玻爾理論，原子是由原子核和電子組成的，電子在核外的一定軌道上繞原子核運動，電子在不同軌道上運動時原子具有不同的能量。當(dāng)外來光子的能量等于原子相應(yīng)的能級差時，就會把原子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，這個過程稱為受激吸收躍遷。
處在激發(fā)態(tài)的原子會自發(fā)躍遷到低能態(tài)，同時發(fā)出光輻射，這個過程稱為自發(fā)輻射躍遷。1916年，愛因斯坦在研究光輻射與原子相互作用時發(fā)現(xiàn)，除了上述兩種過程之外，還存在第三種過程--受激輻射躍遷，即在外來光子的作用下，處在高能態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷，并同時發(fā)射出能量相同的光子(圖5-34)。
受激輻射躍遷產(chǎn)生的光子具有如下特性:頻率、相位、傳播方向、偏振方向都與誘導(dǎo)產(chǎn)生這種躍遷的光子相同。這就是激光產(chǎn)生的基本原理。
激光具有普通光所不具備的特點:單色性好，激光發(fā)射的各個光子頻率相同，因此激光是很好的單色光源;相干性好，因為受激輻射的光子在相位上一致，所以激光的空間相干性很好;方向性好，激光束的發(fā)散角很小，幾乎是一條平行的光束;
亮度高，激光的亮度可比普通光源高出上千倍，是目前最亮的光源。強(qiáng)激光甚至可產(chǎn)生上億攝氏度的高溫。這些特點使激光在人們的生產(chǎn)生活和科學(xué)研究中有著廣泛的應(yīng)用。
欣賞由 DVD 播放的音樂和影片、激光音樂噴泉、舞臺燈光布景時，激光在為你服務(wù);在聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)上，通信系統(tǒng)中的激光幫你收發(fā)電子郵件;在超級市場里，激光在購買商品的條形碼上掃描(圖5-35)，以便結(jié)算賬目;
在醫(yī)院里，各式激光器可幫助醫(yī)生治療疾病;在軍事領(lǐng)域，激光在制導(dǎo)炸彈、測量距離(圖5-36)、跟蹤目標(biāo)、傳遞軍事情報中發(fā)揮作用……
許多用其他技術(shù)無法做到的事情，用激光則可能實現(xiàn)。例如，用激光實現(xiàn)熱核聚變用激光研究引力波，用激光夾住和移動細(xì)胞，用激光顯示電子流動軌跡，等等。
激光的特點及其應(yīng)用
1948 年，英國物理學(xué)家伽柏(1900-1979)提出了全息照相的設(shè)想:利用兩束光的干涉條紋記錄被攝物體，記錄干涉條紋的底板經(jīng)過適當(dāng)處理后，會再現(xiàn)一個逼真的像。由于當(dāng)時沒有足夠強(qiáng)的單色光源，實驗結(jié)果不甚理想。
激光的發(fā)明和普及，使全息照相獲得了很大的發(fā)展，伽柏也因?qū)θ⒄障嗟难芯揩@得了 1971 年諾貝爾物理學(xué)獎。全息照相是應(yīng)用光的干涉實現(xiàn)的。
如圖5-37所示，作為光源的激光被分成兩部分一部分通過凹透鏡發(fā)散后射到膠片上;
另一部分射向一個平面鏡，經(jīng)反射后通過另一個凹透鏡發(fā)散后射向被拍攝的物體。
該物體把光反射到膠片上，并與第一束光發(fā)生干涉，兩束光干涉的結(jié)果就在膠片上記錄下被拍攝物體的三維圖像信息，這就是全息照片(圖5-38)。
在音像店或書店你可能會發(fā)現(xiàn)有些音像制品或茶志封面上的圖像好像在跟著你移動，這些圖像就是全息照片。全息照相與普通照相相比有如下幾個突出特點:觀察再現(xiàn)的圖像時，看到的三維立體圖像和原來的物體幾乎一模一樣;
能了解光的干涉、衍射和偏振的內(nèi)涵能了解激光的特性;能解釋生產(chǎn)生活中有關(guān)光的干涉、衍射和偏振的現(xiàn)象，能說明激光技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。具有與光的干涉、衍射和偏振相關(guān)的運動與相互作用觀念和能量觀念。
有學(xué)習(xí)物理的內(nèi)在動機(jī)與熱情，能感受物理學(xué)之美;能認(rèn)識科學(xué)普及的重要性，能在科學(xué)普及活動中發(fā)揮積極的作用。--物理觀念，科學(xué)態(tài)度與責(zé)任
如果發(fā)現(xiàn)一個物體部分被遮擋了，你只要改變一下角度，便能觀察到被遮擋的部分;如果一張全息照片的大部分被損壞或丟失，只留下一小部分，從這一小部分照片仍可再現(xiàn)原物的全貌;可在同一張底片上記錄多張圖像，再現(xiàn)時可在不同的角度分別觀察到多個不同的像而不互相干擾。
1.激光有以下特點:頻率單一、相干性好、方向性好，可在很小空間、很短時間內(nèi)集中大量能量，所以亮度高。全息照相、激光雷達(dá)、切割金屬各是應(yīng)用了激光的什么特性?
2.一張光盤可記錄幾億個字節(jié)，其信息量相當(dāng)于數(shù)千本十多萬字的書，其中一個重要原因就是光盤上記錄信息的軌道可做得很密，1 mm的寬度至少可容納 650 條軌道。這是應(yīng)用了激光的什么特性?
3.簡述全息照相的原理，說明全息照片與善通照片的不同4.查閱資料，說說激光的應(yīng)用前景，寫一篇科并小論文

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第5節(jié) 激光與全息照相

版本： 魯科版 (2019)

年級： 選擇性必修 第一冊

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